一種用于潛艇的頻率選擇天線罩設(shè)計*

宋海洋 李光軍 章 敏 毛 杰

（1.海軍駐武漢地區(qū)某軍事代表室 武漢 430205）（2.武漢船舶通信研究所 武漢 430205）（3.91917部隊 北京 100000）

1 引言

天線罩一般安裝在天線外面，防止天線經(jīng)受強風(fēng)、暴雨、海浪、鹽霧、太陽輻射等的侵襲，同時還是天線電磁波接收和發(fā)射的電磁窗口。因此，用于潛艇的天線罩，需要保證足夠的強度、剛度，以滿足水下環(huán)境的使用需求，同時需保證良好的透波性能。

近年來，隨著探測技術(shù)的發(fā)展，對潛艇的隱身性能提出了越來越高的要求，天線作為潛艇上重要的通信設(shè)備，降低雷達(dá)散射截面（RCS）對提高潛艇隱蔽性具有重要意義。頻率選擇表面是一種周期性的電磁結(jié)構(gòu)，其根本特征是對一定極化、入射角的電磁波具有頻域濾波特性，將頻率選擇表面（FSS）技術(shù)應(yīng)用于天線罩上，可以使天線罩具有頻率選擇功能，在設(shè)計頻段內(nèi)天線罩具有正常的透波，設(shè)計頻段外對電磁波進(jìn)行屏蔽，從而降低天線的 RCS［1～4］。

潛艇用頻率選擇天線罩需滿足包括耐壓、電性能等多方面的綜合要求。如果設(shè)計電性能最優(yōu)，可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強度裕度不大；如果保證結(jié)構(gòu)強度裕度，天線罩的透波性能必須作出犧牲；同時由于天線罩不是低RCS外形，采用FSS設(shè)計必定會影響透波率；因此，必須對天線罩進(jìn)行電性能和結(jié)構(gòu)強度的協(xié)調(diào)設(shè)計。制造工藝也會直接影響天線罩的結(jié)構(gòu)強度和電性能，因此需要根據(jù)天線罩結(jié)構(gòu)尺寸，選擇最佳的成型工藝。針對以上研制難點，本文分別從材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面進(jìn)行闡述［1～5］。

2 天線罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 材料方案

1）蒙皮材料

根據(jù)材料性能要求，同時依據(jù)天線罩高透波要求，石英纖維/氰酸酯復(fù)合材料是一種理想的蒙皮材料，該復(fù)合材料具有諸多突出的優(yōu)點：優(yōu)良的力學(xué)性能、耐熱及耐濕熱性能、極低的介電損耗、較低的介電常數(shù)等。并且其介電性能對溫度及電磁波頻率的變化都顯示出特有的穩(wěn)定性，類似材料已經(jīng)應(yīng)用于美國F-22飛機的雷達(dá)罩。為了進(jìn)一步提高復(fù)合材料性能，對樹脂基體進(jìn)行改性。針對樹脂基體固化物較脆、韌性較差的特點，采用可溶性熱塑性聚酰亞胺對其進(jìn)行增韌，在保持其電性能和力學(xué)性能的基礎(chǔ)上提高其韌性指標(biāo)和力學(xué)性能。石英纖維/改性氰酸酯樹脂復(fù)合材料性能如表1所示［6～8］。

2）芯層材料

芯層材料選用PMI泡沫材料，PMI泡沫芯層具有如下優(yōu)點［6～8］。

（1）泡沫夾層結(jié)構(gòu)吸濕率低。PMI泡沫為100%閉孔，內(nèi)部吸濕是通過水分子擴散，相對蜂窩大空隙而言，吸濕率較低。

（2）泡沫芯層復(fù)合材料的沖擊后壓縮強度較蜂窩芯層復(fù)合材料高。

（3）目前比強度和比剛度最高的聚合物硬質(zhì)泡沫材料，在夾層結(jié)構(gòu)中，PMI泡沫材料可以作為結(jié)構(gòu)性單元。

表1 石英纖維/氰酸酯復(fù)合材料性能

表2 ROHACELL 71 XT-HT型PMI泡沫性能

PMI泡沫材料性能見表2。

3）膠膜及發(fā)泡膠

膠膜及發(fā)泡膠也是夾層結(jié)構(gòu)材料的重要組成。在蒙皮材料和芯層材料單獨力學(xué)性能、耐熱性能和電磁性能都能夠滿足要求的前提下，夾層結(jié)構(gòu)整體的性能取決于蒙皮和芯層之間的界面性能。如果蒙皮和芯層間界面粘接強度達(dá)不到要求，在熱載荷和氣動載荷聯(lián)合作用下，首先界面脫粘而后導(dǎo)致夾層結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。因此蒙皮和芯層粘接用耐高溫膠膜是保證結(jié)構(gòu)整體強度和電性能的關(guān)鍵。蒙皮和芯層粘接用耐高溫膠膜除具有高粘接強度外，還應(yīng)具有與蒙皮相同的耐熱性能和介電性能。

另外，PMI芯層是平面形狀，無法整體加工成天線罩形狀，必須用若干塊PMI板材進(jìn)行熱定型后拼接。芯層拼接用耐高溫發(fā)泡膠也是保證結(jié)構(gòu)整體強度和電性能的重要因素。耐高溫發(fā)泡膠除具有高粘接強度外，還應(yīng)具有與芯層相同的耐熱性能和介電性能［9］。

耐高溫膠膜及耐高溫發(fā)泡膠性能見表3。

表3 膠膜及發(fā)泡膠性能

4）涂層

本設(shè)計中的天線罩要求具有表面憎水性，出水15s后，表面無水膜、無明顯水滴。因此在天線罩表面噴涂疏海水涂層是一種可行的方案。

本設(shè)計研制的涂層是以全氟烷基為主要憎水成分，以有機硅為輔助憎水成分的樹脂，通過分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計、優(yōu)化合成工藝，使樹脂涂料具有優(yōu)異的憎水性及耐久性［7］。已經(jīng)基本完成有機硅改性聚氨酯涂層的研制，研制的疏海水涂層具有以下性能：涂層工藝性好，涂敷涂層后，材料表面光滑平整，附著力小于1級，涂層接觸角達(dá)到120.5°，滾動角為6°。圖1為復(fù)合材料平板在涂層涂覆前后透波率比對圖，由圖可知平板透波率基本無變化。

圖1 噴漆前后平板透波率

2.2 結(jié)構(gòu)強度設(shè)計

承載是天線罩的第一要求，本設(shè)計要求天線罩整體耐4MPa水壓，因此首先需要對天線罩承壓進(jìn)行分析設(shè)計。經(jīng)力學(xué)性能分析，當(dāng)石英纖維/氰酸酯樹脂復(fù)合材料蒙皮厚度大于8mm時，天線罩能夠滿足技術(shù)指標(biāo)要求。同時進(jìn)行了A夾層天線罩結(jié)構(gòu)（4mm復(fù)合材料+12mmPMI泡沫+4mm復(fù)合材料）的強度校核，結(jié)果表明，該A夾層結(jié)構(gòu)可以承受6MPa的均勻外壓不破壞，同時結(jié)構(gòu)在承受6MPa均勻外壓不發(fā)生屈曲，屈曲系數(shù)大于1。

圖2 復(fù)合材料有限元計算云圖

3 天線罩FSS設(shè)計

本設(shè)計所用天線為圓柱形天線，由于天線罩不是低RCS外形，如果采用傳統(tǒng)的反射型FSS方案，很難滿足RCS技術(shù)指標(biāo)要求，因此必須采用吸收方案。對于吸波結(jié)構(gòu)來說，它通過在接地平面之前放置電阻層或電阻性單元來獲得吸波特性，這種結(jié)構(gòu)可被設(shè)計成在對其他任何頻率都反射的同時對某個頻率范圍是吸波的。此外，如果想讓該結(jié)構(gòu)在某頻率范圍是透明的，那么必然要求接地平面對此頻率范圍也是透明的。將接地平面換成孔徑型的FSS便可以實現(xiàn)這種特性，這就是耗散型FSS結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，除此之外，還必須要求電阻層或電阻性單元對這些透明的頻率是“不可見的”，而對其它頻率則是吸收的［10～11］。

在設(shè)計耗散型FSS結(jié)構(gòu)之前，首先要計算出純介質(zhì)結(jié)構(gòu)本身能達(dá)到怎樣的透波率。根據(jù)水下的耐高水壓使用要求，實芯天線罩結(jié)構(gòu)的總厚度要滿足8mm以上才能滿足要求。對于無耗散型FSS的實芯結(jié)構(gòu)，圖3給出了純介質(zhì)板的透波率與厚度對應(yīng)關(guān)系的仿真結(jié)果。從理論計算結(jié)果來看，當(dāng)厚度為8mm時，純介質(zhì)板本身的帶內(nèi)透波率（1GHz～2GHz）≥-0.5dB；然而當(dāng)厚度為15mm時，純介質(zhì)板本身的帶內(nèi)透波將惡化到-1.2dB。

圖3 純介質(zhì)板透波率預(yù)估結(jié)果

采用耗散型FSS結(jié)構(gòu)進(jìn)行吸透一體化設(shè)計，主要開展了兩輪設(shè)計及優(yōu)化工作。第一輪結(jié)構(gòu)是實心壁，加載三層頻選膜，總厚度約15mm。第二輪結(jié)構(gòu)為夾層結(jié)構(gòu)，順序為8mm復(fù)合材料（加載兩層頻選膜）、10mmPMI泡沫、2mm復(fù)合材料（加載一層頻選膜），總厚度為20mm。圖4給出了第一輪和第二輪平板樣件透波率測試結(jié)果對比。第一輪平板帶內(nèi)透波率基本控制在-2dB左右，而第二輪平板帶內(nèi)透波率已基本提高至-0.8dB以內(nèi)，已經(jīng)接近技術(shù)指標(biāo)。從圖5第二輪透波率設(shè)計和測試結(jié)果對比來看，設(shè)計與測試結(jié)果吻合度較高，說明設(shè)計結(jié)果的可信度較高。圖6和圖7給出了第二輪吸波特性設(shè)計結(jié)果和平板件反射率測試結(jié)果，從圖中可以看出，該結(jié)構(gòu)在X波段實現(xiàn)了高吸收。

圖4 第一輪和第二輪平板透波率測試對比

綜上所述，通過獨特的耗散FSS單元設(shè)計，第二輪設(shè)計結(jié)構(gòu)已實現(xiàn)了低頻波段的高透波，同時具備了覆蓋整個X波段的低反射率。說明設(shè)計思路正確，且效果明顯。可以據(jù)此開展天線罩制備。

圖5 第二輪透波率設(shè)計結(jié)果和測試結(jié)果對比

圖6 吸波結(jié)構(gòu)反射率預(yù)估

圖7 第二輪平板發(fā)射率測試

4 工藝方案

本設(shè)計中的天線罩為圓柱形，頂部為半球形，高度為2500mm，因此選用纏繞工藝。纏繞工藝可嚴(yán)格控制樹脂的含量，從而使整個天線罩具有均勻的介電常數(shù)。研究張力、轉(zhuǎn)速等對復(fù)合材料外觀質(zhì)量及性能的影響。同時研究真空度、固化程序以及固化程度等成型工藝參數(shù)對天線罩外觀質(zhì)量和性能的影響，從而優(yōu)化成型工藝參數(shù)，工藝難點在以下幾個方面［9～12］：

1）整體成型難度大。因為天線罩頂端為半球封口，而且整體高度達(dá)2500m，纏繞過程中不能使模具處于一端固定的懸掛狀態(tài)。因此采用分段成型方式，即固化0～300mm處后，采用轉(zhuǎn)接工裝將陽模的另一端固定。

圖8 天線罩纏繞成型方式

2）濕法纏繞難度大。因為氰酸酯樹脂在常溫下粘度太大，無法纏繞，如果加溶劑，溶劑揮發(fā)一方面導(dǎo)致復(fù)合材料孔隙率大，另一方面纏繞過程中纖維和布容易打折造成強度下降，因此采用在氰酸酯樹脂中加入低粘度樹脂來降低浸漬液的粘度，從而滿足纏繞要求。

3）工序多且復(fù)雜。本設(shè)計天線罩成型過程包括蒙皮材料成型，PMI泡沫成型，多層頻選膜貼覆等，工序較多且復(fù)雜。蒙皮材料基本采用濕法纏繞成型；芯層PMI泡沫采用預(yù)定型、定型，再通過膠膜轉(zhuǎn)移到蒙皮材料上；頻選膜主要通過膠膜貼覆。

5 試驗件測試

圖9 高強度頻選材料天線罩工藝試驗件

為了驗證工藝可行性，制備了工藝試驗件，如圖9所示。在航天科工集團(tuán)第二研究院207所準(zhǔn)動態(tài)散射輻射實驗室進(jìn)行了天線和天線罩組合體的RCS測試，如圖10所示。測試天線水平放置于測試臺架上，在8GHz～12GHz波段內(nèi)進(jìn)行掃頻測試。選取天線本身、天線加載天線罩、天線自轉(zhuǎn)90三種狀態(tài)進(jìn)行了HH、VV極化測試，測試結(jié)果如圖11所示。從圖看出，天線加載天線罩的RCS比天線本身有所減小。

圖10 天線及其加載天線RCS測試狀態(tài)

6 結(jié)語

本文選用低介電、低損耗的石英纖維/氰酸酯樹脂復(fù)合材料、耗散型FSS等材料，采用耗散型FSS結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過分段成型、樹脂改性等措施，制作出一種用于潛艇的頻率選擇天線罩，測試結(jié)果表明，試驗件基本滿足設(shè)計要求。頻率選擇天線罩是實現(xiàn)天線隱身的重要措施，在潛用天線隱身發(fā)展中必將發(fā)揮越來越重要的作用，因此需對其進(jìn)行更深入的研究，以獲得高強度、高透波、強隱身的性能。